Fizyko-chemiczne własności odpadów występujących w obszarach historycznej przeróbki rud Zn-Pb

Transkrypt

1 PRACE NAUKOWE GIG, KWARTALNIK, WYDANIE SPECJALNE NR III/2007 Jerzy Cabała, Adam Idziak, Marta Kondracka, Marzena Kleczka Uniwersytet Śląski, Wydział Nauk o Ziemi, Sosnowiec Fizyko-chemiczne własności odpadów występujących w obszarach historycznej przeróbki rud Zn-Pb Streszczenie Środowiskowe badania geologiczne i geofizyczne przeprowadzono na terenie składowisk odpadów popłuczkowych i poflotacyjnych dawnych kopalń olkuskich. Składowiska powstały w latach 1896 do Ze względu na wysokie zawartości Zn, Pb, Fe, Cd i Tl oraz znaczną agresywność odpadów obszar składowisk i tereny przyległe powinny zostać objęte pracami rewitalizacyjnymi. Prawidłowe zaprojektowanie tych prac wymaga rozpoznania fizyko-chemicznych własności odpadów oraz wpływu na środowisko. Za pomocą metod rentgenowskich (XRD), środowiskowej mikroskopii skaningowej (ESEM) oraz absorpcyjnej spektroskopii atomowej (ASA) określono skład chemiczny i formy minerałów metalonośnych występujących w badanych odpadach. Zbadano zmiany ph i przewodnictwa elektrycznego właściwego. Laboratoryjnymi metodami eksperymentalnymi wyznaczono oporność właściwą odpadów i gleb nimi zanieczyszczonych, badano zmiany tego parametru w zależności od wilgotności i stopnia zagęszczenia. Do określenia zasięgu oddziaływania składowisk zastosowano polowe badania geoelektryczne. Physical and chemical properties of wastes occuring in areas of historical Zn-Pb ore processing Abstract Environmental, geological and geophysical investigations in the area of post-washer and post-flotation waste dumping sites of the former Olkusz mines were carried out. The waste dumping sites arose within the period because of high Zn, Pb, Fe, Cd and Tl content and considerable waste aggressiveness, the area of dumping sites and neighbouring terrains should be subject to revitalisation activities. Correct planning of this operation requires the identification of physical and chemical properties of wastes and their impact on the environment. By means of X-ray diffraction (XRD), environmental scanning electron microskopy (ESEM) and absorption atomic spectroscopy (AAS) the chemical composition and forms of metal-bearing minerals occurring in the tested wastes were determined. The ph changes and specific electric conductivity were tested. By means of experimental methods the specific resistance of wastes and contaminated soils was determined and the changes of this parameter depending on the humidity and density level were tested. for the determination of the influence range of dumping sites, field geoelectric tests were applied. 1 WSTĘP W rejonie śląsko-krakowskim wydobycie rud ołowiu i srebra było prowadzone już od wczesnego średniowiecza, a od XIII wieku jest ono udokumentowane historycznymi przekazami. W XIX wieku zwrócono uwagę na szerokie możliwości wykorzystania cynku. Szybki wzrost zapotrzebowania na ten metal przyczynił się do rozwoju górnictwa i przeróbki rud Zn-Pb. W obszarach płytkiego zalegania złóż rud Zn-Pb powstały liczne kopalnie i zakłady wzbogacania rud [3]. Płytka, podziemna oraz odkrywkowa eksploatacja rud zaznaczyła się przekształceniem powierzchni terenu w rejonie olkuskim, bytomskim, chrzanowskim i jaworznickim. Na powierzchni zostały zdeponowane znaczne ilości odpadów pogórniczych oraz powstałych w procesach płukania i flotacyjnego wzbogacania rud. Rejony historycznego wydobycia i przeróbki rud metali (Cu, Zn, Pb, Sb, As i Hg) cechują się wysokim stopniem koncentracji metali ciężkich i siarczanów, które nawet po 100 latach od zakończenia eksploatacji są transferowane do 141

2 Górnictwo i Środowisko środowiska przyrodniczego [7]. Identyfikacja miejsc zanieczyszczonych przez historyczne górnictwo jest bardzo trudna. Tereny te często są zaasymilowane przez roślinność lub przekształcone w wyniku rozwoju rolnictwa i urbanizacji. Z tego względu informacja o lokalizacji miejsc historycznej działalności górniczej bardzo szybko zanika [4]. Obszary zanieczyszczone przez odpady bogate w metale ciężkie mogą być badane metodami geochemicznymi i mineralogicznymi. Można stosować także metody analizy geograficznej oraz historycznej, szczególnie przydatne są informacje zamieszczone na starych mapach górniczych. Dla rozpoznania zasięgu występowania, miąższości oraz zróżnicowania niektórych cech fizyko-chemicznych w obszarach składowisk przydatne są także badania geofizyczne. Największe możliwości uzyskania informacji geologicznej są związane z zastosowaniem elektrycznych i elektromagnetycznych metod badawczych. Zastosowanie nowoczesnego sprzętu geofizycznego umożliwia uzyskanie dokładnych oraz powtarzalnych wyników przewodności elektrycznej badanego ośrodka [8]. Dynamika migracji zanieczyszczeń w rejonie składowisk zależy między innymi od składu mineralnego, wilgotności, porowatości, temperatury, uziarnienia oraz chemizmu roztworów. Cechy te w istotny sposób wpływają na wyniki pomiarów przewodności elektrycznej [10,11]. Wyniki badań przewodności elektrycznej odpadów mogą być źródłem istotnych informacji na temat zmienności składu mineralnego, stopnia zagęszczenia i nasycenia porów roztworami. Badania przewodności elektrycznej składowisk o dużej aktywności chemicznej pozwalają wyznaczyć zasięgi stref wpływu na środowisko. Geofizyczne badania laboratoryjne wskazują, że istnieje związek między zróżnicowaniem oporności elektrycznej ze strukturą gleb. Analiza przewodności elektrycznej ośrodka glebowego lub antropogenicznych odpadów umożliwia określenie jego makro oraz mezoporowatości [10]. Dla prawidłowej interpretacji wyników prac terenowych bardzo ważne jest wykonanie laboratoryjnych badań pozwalających na określenie wpływu wilgotności, stopnia zagęszczenia oraz składu mineralnego na przewodność elektryczną. 2 PRZEWODNOŚĆ I OPORNOŚĆ ELEKTRYCZNA SKAŁ I MINERAŁÓW Elektryczna oporność właściwa rud metali i ośrodków skalnych wzbogaconych w minerały metalonośne zależy od ich składu mineralnego oraz cech strukturalnoteksturalnych. Oporność właściwa najpospolitszych minerałów np. kwarcu, kalcytu, anhydrytu, skaleni jest bardzo wysoka, wynosi Ωm. Najniższe wartości oporności (< 10-6 Ωm), a tym samym najwyższą przewodnością (ok ms/m) charakteryzuje się złoto, srebro, platyna. Bardzo wysokie przewodności ( ms/m) ma chalkopiryt, markasyt, hematyt [6]. Niską oporność właściwą od 10 do 10-4 Ωm mają także niektóre siarczki, takie jak: galena, piryt, markasyt, arsenopiryt [5]. W rudach polimetalicznych obniżenie oporności elektrycznej jest związane z mineralizacją pirytem. Lite rudy siarczkowe mają bardzo niskie oporności rzędu 10-5 do 10 Ωm [9]. Dla różnych ośrodków skalnych oraz słonych i słodkich wód wartości przewodności elektrycznej zmieniają się w zakresie od 0,1 do ponad 1000 ms/m (Rys. 1). 142

3 GEOLOGIA I GEOFIZYKA W GÓRNICTWIE Rys. 1. Wartości elektrycznej przewodności oraz oporności właściwej różnych ośrodków [10] 3 MIEJSCE, MATERIAŁ I METODY BADAŃ Obiektem badań były składowiska odpadów powstałe w wyniku wzbogacania rud w płuczce Józef w Pomorzanach koło Olkusza. Płuczka rozpoczęła produkcję w roku 1896 i działała do roku Okresowo, w czasie I wojny światowej i pod koniec lat 20- tych nie prowadzono produkcji. W pierwszych kilkunastu latach działalności metodami płukania wzbogacano bogate utlenione rudy Zn-Pb eksploatowane w pobliskiej kopalni galmanu Józef w Olkuszu Starym. W końcowym okresie działalności zakładu prowadzono także flotacyjną przeróbkę rud siarczkowych eksploatowanych w kopalni Ulisses w Tłukience i Krążek w Bolesławiu. W 1955 roku na obszarze płuczki Józef wykonano badania geologiczno-poszukiwawcze. Zasoby odpadów oszacowano na 177 tys. ton. Określono je jako rudę utlenioną, zawierającą średnio 7,82% Zn (13,84 tys. ton) oraz 1,45% Pb (2,56 tys. ton). Zasoby rozpoznano na obszarze ok. 2 ha [12]. Od końca lat 50-tych do lat 70-tych prowadzono nieregularną eksploatację odpadów, które w ilości około 7000 ton rocznie stanowiły domieszkę do wsadu w procesie ogniowej przeróbki rud tlenkowych w hucie w Bukownie. Do dnia dzisiejszego na składowisku pozostało zdeponowanych kilkanaście tysięcy ton odpadów. Teren składowiska jest ukształtowany przez nieregularne pryzmy oraz erozyjne usypiska odpadów (Rys. 2). Obszar składowiska i płuczki zajmuje powierzchnię około 6 hektarów. Występujące na składowisku odpady maja czerwoną, żółtawą lub pomarańczową barwę, lokalnie występują także odpady o barwie jasnoszarej i szarej. Powstały one w procesach grawitacyjnego płukania rud utlenionych, a także flotacyjnego wzbogacania rud siarczkowych. Procesy te nie wpływają na zmiany chemizmu minerałów. Próby do badań pobrano z wierzchnich warstw składowiska obejmujących interwały 0-0,05m oraz 0-0,2m. Skład mineralny odpadów został określony metodami fazowej analizy rentgenowskiej (XRD) przy użyciu dyfraktometru rentgenowskiego Philips PW 3710 z monochromatorem gazowym. Oznaczenia zawartości metali ciężkich (Zn, Pb, Fe, Mn, Cd i Tl) wykonano metodami absorpcji atomowej (ASA) przy użyciu spektrometru SOLAAR M6. Dla dokładniejszego rozpoznania składu mineralnego wykonano środowiskowe badania skaningowe (ESEM) przy użyciu mikroskopu Philips XL 30 z 143

4 Górnictwo i Środowisko analizatorem EDAX. Do badań pobrano kilkanaście prób z obszaru płuczki Józef reprezentujących odpady o różnych barwach i cechach strukturalnych. Oznaczenia wilgotności próbek odpadów wykonano w warunkach laboratoryjnych metodą suszenia próbek w temperaturze C do stałej masy. 3.1 Badania laboratoryjne Rys. 2 Składowisko odpadów Józef w Pomorzanach Zestaw do laboratoryjnych pomiarów przewodności elektrycznej składał się z komory badawczej oraz Terrametru SAS 300C (Rys. 3). W komorze pomiarowej wykonanej z tworzywa sztucznego rozmieszczono elektrody prądowe (A i B) i pomiarowe (M i N). Odległości między poszczególnymi elektrodami zostały tak dobrane, by zapewnić odpowiedni przepływ prądu przez próbkę oraz zminimalizować zjawiska przyelektrodowe. Urządzenie mierzy opór w zakresie MΩ, a dokładność pomiaru oporu elektrycznego wynosi 2 % ± 0,05 mω. Rys. 3. Zestaw pomiarowy z Terrametrem SAS 300C 144

5 GEOLOGIA I GEOFIZYKA W GÓRNICTWIE Pomiary Terrametrem SAS 300 C pozwoliły na określenie wartości oporu elektrycznego (R) badanych próbek, który był proporcjonalny do oporności właściwej próbki odpadu. Oporność właściwą (ρ) oraz przewodność (σ ) obliczono na podstawie metodyki zalecanej przez normy ASTM G57 [2]. Błędy bezwzględne przewodności elektrycznej ( σ) obliczono metodą różniczki zupełnej. Zagęszczanie badanych odpadów wykonano przy pomocy specjalnie skonstruowanego ubijaka impulsowego (stosowano do 10 impulsów zagęszczania). Do kontroli stopnia zagęszczenia próbki wykorzystano twardościomierz Typ LTw skonstruowany w Instytucie Odlewnictwa w Krakowie. Stopień zagęszczenia próbki odpadu (I z ) określono jako stosunek gęstości właściwej odpadu w komorze pomiarowej (g k ) do gęstości właściwej otrzymanej w badaniach laboratoryjnych (g). 3.2 Badania terenowe W terenowych badaniach elektrooporowych wykorzystano dwa przyrządy: Terrametr SAS 300 (płytkie sondowania oporu) oraz Terrameter SAS 4000 z przystawką SAS 4-32 Multimac (głębsze sondowania). Multimac to system służący do automatycznego przełączania elektrod podczas przeprowadzania pomiarów oporu pozornego. Standardowy układ systemu Multimac do sondowań rozstawem Schlumbergera zawiera cztery kable. Dwa kable o długość 245 metrów posiadają po 16 złączek zatrzaskowych znajdujących się w odległościach: 1; 1,44; 2,08; 3; 4,33; 6,24; 9,0; 13,0; 18,7; 27; 38,9; 56,2; 81; 117; 168; 243 m od środka rozstawu. Złączki zatrzaskowe na kablach służących do przyłączania elektrod potencjałowych rozmieszczone są w odległościach 0,2; 1; 3; 13 m od środka rozstawu. 4 SKŁAD MINERALNY I NIEKTÓRE CECHY BADANYCH ODPADÓW Składowiska są zbudowane z dwóch głównych rodzajów odpadów: czerwonego i jasnoszarego (Rys. 2). Są one związane z dwoma różnymi procesami przeróbki rud Zn- Pb. Odpady jasnoszare (1) pochodzą z procesów flotacji rud siarczkowych, natomiast czerwone (2) powstały w wyniku płukania rud utlenionych. W obszarze płuczki oraz jej sąsiedztwie występują także nagromadzenia drobnoziarnistych frakcji odpadów stanowiących aluwia popłuczkowych wód technologicznych odprowadzanych do plejstoceńskich piasków w okresie działalności zakładu. W wyniku erozji składowisk i oddziaływania procesów spływu powierzchniowego, do obniżeń redeponowane są ilaste frakcje odpadów (3). (1) Odpad jasnoszary; zbudowany jest z kwarcu i minerałów ilastych. Z siarczków dominuje galena i sfaleryt, obecne są także siarczki żelaza, piryt i markasyt. Cechuje się wysokim udziałem gipsu, anglezytu oraz plumbojarosytu, występuje także baryt. (2) Odpad czerwony; z minerałów płonnych występuje ankeryt, kwarc, minerały ilaste i dolomit. Z siarczków zidentyfikowano sfaleryt (ZnS) oraz galenę (PbS). Minerały wtórne są reprezentowane głównie przez goethyt i smitsonit, zidentyfikowano także gips oraz niewielkie ilości plumbojarosytu, hemimorfitu i minrecordytu (Rys. 4). 145

6 Górnictwo i Środowisko (3) Drobnoziarniste frakcje (< 0,045mm) odpadów; w ich składzie mineralnym dominują minerały ilaste, dolomit i ziarna kwarcu. Z minerałów kruszcowych występuje piryt, markasyt, sfaleryt i galena. W znacznych ilościach obecny jest goethyt, gips, plumbojarosyt, jarosyt hydroniowy, rozpoznano także minrecordyt, hemimorfit i chlorki Mg i Pb. Rys. 4. Odpady czerwone, płuczka Józef. Obraz BSE Badane odpady cechują się bardzo wysokim udziałem minerałów metalonośnych (siarczków Zn-Pb-Fe, węglanów Zn-Pb i tlenków Fe) oraz siarczanów Ca (gipsu). Są zbudowane z drobnoziarnistych agregatów siarczków cynku i żelaza w asocjacji z którymi występują węglany cynku i tlenki żelaza (Rys. 4). Izolowane ziarna siarczków mają rozmiary od 0.1 do 50 µm. Są one spękane i porowate oraz wykazują ślady chemicznego rozpuszczania. Minerały metalonośne gromadzą się w submikroskopowych frakcjach ziaren o rozmiarach od 0.1 do 5 µm (Rys. 4). Drobnoziarniste frakcje odpadów są zbudowane z ziaren tlenków oraz reliktów siarczków Zn-Pb-Fe. Tworzą one mieszaniny z minerałami ilastymi, tlenkami i wodorotlenkami żelaza. W ich składzie mineralnym masowo występują uwodnione siarczany żelaza, siarczany wapnia oraz baryt. Na duże zróżnicowanie zawartości cynku, ołowiu i żelaza oraz wysokie koncentracje kadmu w odpadach z płuczki Józef zwrócili uwagę A. Adamczyk i A. Haładus [1]. Wyniki analiz zawartości metali ciężkich w badanych odpadach (Tab. 1) wskazują na znaczne różnice w składzie mineralnym czerwonych i jasnych odpadów oraz wysoki stopień koncentracji toksycznego ołowiu, kadmu i talu. Metodami podstawowych badań inżynierskich (wałeczkowanie, rozmakanie, reakcja z HCl) określono cechy gruntów. Odpady jasnoszare zaliczono do niespoistych piasków pylastych, jedynie w obniżeniach występują odpady o cechach gruntów spoistych (glina zwięzła). W odpadach spoistych zawartości frakcji ilastej, pylastej i piaszczystej są podobne i wynoszą ok. 30%. Cechują się bardzo niskimi zawartościami węglanów (CaCO 3 < 1%) lub ich zupełnym brakiem. Odpady czerwone są reprezentowane przez grunty typu piasków średnich oraz grubych. Cechują się wysokim udziałem frakcji ilastych i pylastych (10-15%), które nie 146

7 GEOLOGIA I GEOFIZYKA W GÓRNICTWIE zapewniają im spoistości charakterystycznej dla gruntów gliniastych i pylastych. W zagłębieniach składowiska występują odpady o barwach czerwonych posiadające cechy gruntów spoistych (gliny zwięzłe). Odpady czerwone mają silnie wapnisty charakter (CaCO 3 > 5%). Tabela 1. Metale ciężkie w odpadach występujących w rejonie płuczki Józef w Pomorzanach ph (H 2 O) Zn Pb Fe Mn Cd Tl mg kg-1 O d p a d y j a s n o s z a r e (1) Min-max Średnia Odch. std O d p a d y c z e r w o n e (2) Min-max Średnia Odch. std O d p a d y d r o b n o z i a r n i s t e (3) Min-max Średnia Odch. std Porowatość i przepuszczalność Wartości współczynników filtracji odpadu czerwonego i jasnoszarego mocno się różnią. Współczynniki filtracji czerwonych odpadów mieszczą się w granicach 1, m/s do 9, m/s. Świadczy to o ich stosunkowo dobrej przepuszczalności, co ułatwia infiltrację wód opadowych. [1]. Współczynniki filtracji odpadu szarego są znacznie niższe, dlatego w obszarach ich występowania wody opadowe są odprowadzane głównie poprzez spływ powierzchniowy. Proces ten prowadzi do redepozycji drobnych frakcji odpadów poza pierwotny obszar składowiska. Wilgotność naturalna Wilgotność odpadów o barwie jasnoszarej zawiera się w przedziale od 6,4 do 11,3%. Dla odpadów czerwonych oznaczono zbliżone wartości od 6,75 do 12,95%. Odpady występujące w miejscach bezodpływowych mają znacznie większą wilgotność 33%. Najniższą wilgotność ok. 3% mają występujące na terenie składowiska, zabarwione na pomarańczowo piaski kwarcowe. Gęstość właściwa Średnia gęstość właściwa odpadów szarych zawiera się w przedziale 2,22 2,51 g/cm 3, natomiast odpadów czerwonych od 2,05 2,62 g/cm

8 5 WYNIKI BADAŃ Górnictwo i Środowisko 5.1 Badania laboratoryjne Stopień zagęszczenia (I z ) Na zdolność zagęszczania luźnych ośrodków skalnych zasadniczy wpływ ma skład mineralny oraz udział poszczególnych frakcji ziarnowych. Ze wzrostem stopnia upakowania ziaren mineralnych maleje porowatość, a tym samym zmniejsza się ilość roztworu (elektrolitu), który w istotny sposób wpływa na wartość oporu i przewodności elektrycznej ośrodka. Przewodność elektryczna badanych odpadów i gleb rośnie liniowo wraz ze stopniem zagęszczenia (Rys. 5 i 6). Jej wartości stabilizują się po 10 impulsach zagęszczania. W okresie całego cyklu zagęszczania badanych odpadów przewodność elektryczna wzrosła o 6,6 do 44,5% w stosunku do wartości początkowych (Tab. 2). Najwyższe wartości przewodności elektrycznej mieszczące się w przedziale od 0,45 do 0.56 ms/m oznaczono w odpadach jasnoszarych. Znacznie niższą przewodność mają odpady czerwone (Tab. 2). Zaobserwowano, że odpady cechujące się deficytem węglanów mają wyższą przewodność aniżeli odpady o ich wysokich zawartościach. Liczba impulsów Tabela. 2 Stopień zagęszczenia (I z ) i przewodność elektryczna (σ) wybranych odpadów i gleb P 1.2 Odpad jasnoszary < 1% CaCO 3 P 2.2 Odpad czerwony < 1% CaCO 3 P 3.2 Odpad czerwony > 5% CaCO 3 P 2 Piasek średni < 1% CaCO 3 P 4 Gleba, 100 m od składowiska I z σ [ms/m] I z σ [ms/m] I z σ [ms/m] I z σ [ms/m] I z σ [ms/m] 0 0,66 0,51 0,55 0,074 0,52 0,043 0,55 0,0038 0,49 0, ,67 0,45 0,56 0,079 0,52 0,047 0,56 0,0036 0,51 0, ,68 0,54 0,57 0,081 0,54 0,048 0,57 0,0041 0,55 0, ,68 0,50 0,58 0,081 0,54 0,051 0,58 0,0037 0,57 0, ,68 0,55 0,59 0,079 0,56 0,052 0,57 0,0043 0,57 0, ,69 0,47 0,59 0,083 0,57 0,053 0,58 0,0044 0,59 0, ,70 0,56 0,60 0,087 0,57 0,054 0,58 0,0044 0,59 0, ,69 0,53 0,60 0,089 0,58 0,055 0,58 0,0045 0,59 0, ,69 0,56 0,60 0,088 0,58 0,055 0,58 0,0045 0,59 0, ,69 0,54 0,60 0,089 0,58 0,057 0,58 0,0045 0,59 0, ,69 0,54 0,60 0,090 0,58 0,056 0,58 0,0044 0,60 0,0048 k [%]* , *k procentowy przyrost przewodności elektrycznej Występujące pod składowiskiem piaski kwarcowe oraz wykształcone na nich gleby leśne charakteryzują się prawie dwudziestokrotnie niższymi wartościami przewodności elektrycznej w porównaniu do odpadów czerwonych i ponad 100 razy niższymi aniżeli w odpadach jasnoszarych (Tab. 2). Żelaziste piaski kwarcowe (próbka P2) występujące w rejonie składowiska słabo się zagęszczają i mają niski stopień twardości (I z ). Natomiast wykształcone na piaskach kwarcowych i wzbogacone w materię organiczna gleby leśne (próbka P 4) charakteryzują się dużym wzrostem stopnia zagęszczenia (I z 0,49 do 0.60). W piaskach (Rys. 6, próbka P 2) i glebach (próbka P 4) oznaczono zbliżone wartości przewodności elektrycznej. 148

9 GEOLOGIA I GEOFIZYKA W GÓRNICTWIE Rys. 5 Zależność przewodności elektrycznej (σ) Rys.6 Zależność przewodności elektrycznej (σ) od stopnia zagęszczenia (I z ) odpadu od stopnia zagęszczenia (I z ) żelazistych jasnoszarego (próbka P 1.2) piasków kwarcowych (próbka P 2) Wilgotność (w) Przewodność elektryczna dla próbek sypkich była badana w przedziale wilgotności od 2 do 14%, natomiast dla odpadów spoistych od 6 do 12% (Tab. 3). Próbki spoiste charakteryzowały się nierównomierną nasiąkliwością. Prawidłowe warunki pomiarowe ustalały się w wyższych przedziałach wilgotności. Przewodność zwiększała się w sposób liniowy i była rejestrowana w przedziale od 19% do 23%. Po przekroczeniu wilgotności 23% następował gwałtowny wzrost przewodności elektrycznej. Zależność przewodności elektrycznej od wilgotności ma podobną charakterystykę dla odpadów jasnoszarych i czerwonych. Zależność σ (w) przyjmuje przebieg funkcji wykładniczej. W niskich przedziałach wilgotności wzrost przewodności elektrycznej ma prawie liniowy charakter, jednak po przekroczeniu pewnej granicznej wartości wilgotności charakterystycznej dla każdego z odpadów następuje nagły wzrost przewodności elektrycznej (Rys. 7 i 8). Przyrost wilgotności odpadów jasnoszarych wiąże się z bardzo wysoką dynamiką wzrostu przewodności elektrycznej do 0,898 ms/m. Obserwowany wzrost jest prawie pięciokrotnie wyższy aniżeli w odpadach czerwonych cechujących się niską zawartością węglanów (Rys. 8). Odpady o wysokim udziale węglanów mają znacznie niższą przewodność elektryczną. w [%] Tabela. 3 Wilgotność (w) i przewodność elektryczna (σ) wybranych odpadów i gleb P 1.2 P 2.2 P 3.1 P 3.2 P 3.3 P 2 o.niespoisty o. czerwony o. czerwony o. czerwony o. czerwony Piasek śr. jasnoszary < 1% > 5% > 5% > 5% < 1% < 1% CaCO 3 CaCO 3 CaCO 3 CaCO 3 CaCO 3 CaCO 3 P 1.1 o. spoisty jasnoszary <1%CaCO 3 P4 gleba 100 m od składowiska σ [ms/m] 2 0,007 0, ,070 0,015 0,002 0,002 0,002 0,017 0, ,001 0,181 0,024 0,005 0,006 0,009 0,018 0, ,002 0,401 0,047 0,023 0,012 0,017 0,036 0, ,002 0,367 0,110 0,045 0,036 0,024 0,057 0, ,002 0,898 0,192 0,060 0,089 0,034 0,082 0, ,083 0,154 0,049 0,118 0,

10 Górnictwo i Środowisko Rys. 7. Zależność przewodności elektrycznej Rys. 8. Zależność przewodności elektrycznej od wilgotności odpadu jasnoszarego od wilgotności odpadu czerwonego (próbka P 1.2) (próbka P 2.2) 5.2 Badania polowe Ilościowa interpretacja krzywych sondowań elektrooporowych pozwoliła na wydzielenie dwóch stref w obszarze badań. Pierwsza strefa jest związana z zaleganiem warstw odpadów popłuczkowych o odmiennych własnościach elektrycznych. Wydzielenie drugiej strefy wynika z typowej dla tego obszaru budowy geologicznej. Na powierzchni zalegają fluwioglacjalne piaski plejstocenu, przykrywające płytko zalegające skały triasu. Trias górny (kajper) reprezentowany jest przez ilasto piaszczyste utwory zwietrzelinowe z wkładkami skał węglanowych, iłów, iło-łupków i margli. Głębiej zalegają miąższe pakiety wapienno dolomitycznych skał wapienia muszlowego. Odpady popłuczkowe charakteryzują się zmiennymi oporami właściwymi. Wartości zawierają się w granicach od 5 Ωm do 9000 Ωm. Wydzielono trzy przedziały zmienności oporów właściwych charakteryzujące odpady popłuczkowe: 5 15 Ωm odpady o bardzo niskim oporze właściwym, Ωm, odpady o średnim oporze właściwym, Ωm odpady o bardzo wysokim oporze właściwym. Interpretacja płytkich sondowań elektrooporowych pozwala na wygenerowanie modelu geoelektrycznego w obszarze badanego składowiska. Model geoelektryczny przedstawia zaleganie odpadów na warstwach odpowiadających typowemu układowi warstw geologicznych. Wyniki uzyskane na profilach elektrooporowych pozwoliły prześledzić budowę geologiczną badanego obszaru, a także wskazały na występowanie odpadów popłuczkowych poza głównym obszarem składowania. Uzyskane wyniki wskazują na celowość stosowania geofizycznych metod badań dla rozpoznania własności fizycznych odpadów powstałych w okresach historycznego rozwoju górnictwa i przeróbki rud Zn-Pb. Kompleksowa interpretacja krzywych sondowań elektrooporowych wykazała, że odpady popłuczkowe charakteryzują się zmiennymi wartościami oporu właściwego, wynikającymi z przemian geochemicznych zachodzących w odpadach popłuczkowych oraz z różnych warunków zalegania odpadów na badanym terenie. 150

11 GEOLOGIA I GEOFIZYKA W GÓRNICTWIE Rys. 9. Przekroje geoelektryczne w rejonie składowiska odpadów Józef w Pomorzanach 6 PODSUMOWANIE I WNIOSKI Odpady zdeponowane ponad osiemdziesiąt lat temu w rejonie płuczki Józef cechują się wysokim udziałem niestabilnych siarczków żelaza i cynku. Minerały te są źródłem jonów metali ciężkich (Zn 2+, Pb 2+, Cd 2+, Tl + ), które w następstwie przemian chemicznych są transferowane do wód i gleb. W warunkach intensywnego oddziaływania czynników hipergenicznych masowo rozwinęły się procesy utleniania siarczków Zn-Pb-Fe. Przemiany chemiczne objęły także stosunkowo stabilną galenę, co wskazuje na dużą geochemiczną aktywność badanych odpadów. Utlenianie siarczków ołowiu w środowisku charakteryzującym się niedoborem węglanów prowadzi do masowej krystalizacji anglezytu i plumbojarosytu. Jony Pb jedynie w części są stabilizowane w stosunkowo trwałych fazach węglanowych (np. cerusycie). Masowa obecność siarczanów wapnia wskazuje na rozwój procesów kwaśnego drenażu odpadów. Rozwój tych procesów, szczególnie w odpadach nie zawierających węglanów może prowadzić do dalszego wzrostu aktywności jonów cynku, ołowiu i kadmu i talu. Wysoki udział łatwo ługowalnych frakcji występujących w odpadach zwiększa potencjał biodostępnych jonów metali, które łatwo mogą być transferowane do roślin i organizmów żywych. 151

12 Górnictwo i Środowisko Rozpoznanie własności elektrycznych skał w oparciu o badania laboratoryjne stanowią podstawę do lepszej interpretacji wyników sondowań elektrooporowych. Uzyskane wyniki wskazują, że geoelektryczne badania polowe powinny być wykonywane w zbliżonych warunkach wilgotności naturalnej przekraczającej 10-12%. Wysokie wartości przewodności elektrycznej zaznaczające się w aktywnych chemicznie odpadach pozwalają na uzyskanie kontrastowych wyników umożliwiających określenie zasięgu ich rozprzestrzenienia. Duże zróżnicowanie własności elektrycznych skał podłoża oraz odpadów popłuczkowych i poflotacyjnych umożliwia stosowanie metod geofizycznych dla rozpoznania miejsc zanieczyszczonych przez odpady powstałe w okresach historycznej przeróbki rud Zn-Pb. Interpretując wyniki badań geoelektrycznych na terenach górnictwa rud metali, celowe jest uwzględnienie zróżnicowania składu mineralnego skał podłoża, które w znacznej części wpływa na wyniki badań geofizycznych. Literatura 1. Adamczyk A. Haładus A. i inni: Opinia hydrogeologiczna dotycząca wpływu odpadów popłuczkowych (Płuczka Józef ) na jakość wód podziemnych. Kraków AGH (niepubl.). 2. ASTM, Standard test method for field measurement of soil resistivity using the Wenner fourelectrode method, G 57 95a, American Society for Testing and Materials, Philadelphia Cabała J., Sutkowska K.: Wpływ dawnej eksploatacji i przeróbki rud Zn-Pb na skład mineralny gleb industrialnych, rejon Olkusza i Jaworzna. Prace Nauk. Inst. Górn. Polit. Wroc Studia i Materiały 2006 nr 32: Eckel W.P., Rabinowitz M. B., Foster G.D.: Discovering unrecognized lead-smelting sites by historical methods. Am. J Public Health 2001 v. 91, 4: Fajklewicz Z.: Zarys geofizyki stosowanej, Wydawnictwo Geologiczne, Warszawa Hobler M., Badania fizykomechaniczne własności skał, PWN Warszawa, Merrington G., Alloway BJ.: The transfer and fate of Cd, Cu and Zn from two historic metalliferous mine sites in the UK. Appl Geochem 1994 nr 9: Oh M.H., Lee J.H., Yoon G.L., Park J.B.: Pilot-scale field model tests for detecting landfill leachate intrusion into the subsurface using a grid-net electrical conductivity measurement system, Environmental Geology 2003 nr 45: Plewa M., Plewa S.: Petrofizyka Wydawnictwo Geologiczne Warszawa, Samouëliana A., Cousina I., Tabbaghc A., Bruandd A., Richard G.: Electrical resistivity survey in soil science, Soil and Tillage Research 2005 nr 83, 2005: Shmulik P.F.: Soil properties influencing apparent electrical conductivity, a review, Computers and Electronics in Agriculture 2001 nr 46: Włodarz B.: Zwał odpadów popłuczkowych i poflotacyjnych w Pomorzanach dzielnicy miasta Olkusz, 2006 (niepubl.). Recenzent: dr hab. inż. Zenon Pilecki, prof. AGH 152